深抽桿式泵的改進設計與應用

李 軍，付小坤,2，付 鵬，付天明，陳啟龍，郭 斌，谷 旭

1中石化西北油田分公司 2西南石油大學 3中石化中原石油工程有限公司

0 引言

塔河油田主要為碳酸鹽巖縫洞型油藏，油藏埋藏深，隨著油田逐漸開發，地層能量逐漸下降，機采井井數不斷增加，泵掛逐漸加深，桿式泵因下深最大可達4 000 m而被廣泛應用，已在塔河油田應用500余井次。但隨著深抽、注水、注氣工作的大規模開展，井況愈加惡劣，導致常規桿式泵問題逐漸凸顯[1-10]，每年因桿式泵卡泵、凡爾漏失、解封困難及泵座損傷造成的修井達60井次，嚴重影響了生產時效，增加了采油成本。為此，在原有常規桿式泵的基礎上，研制了一種易解封防漏防卡深抽桿式泵，該工藝解決了桿式泵易卡泵、凡爾易漏失、解封困難、泵座損傷漏失等問題，滿足現場生產需求，延長了油井的生產周期。

1 改進設計

1.1 總體結構

該深抽桿式泵主要由泵筒總成、柱塞總成、球閥總成、泵座總成構成，具體結構示意圖見圖1。

1.閥桿異徑接頭；2.閥桿導向套；3.泵座；4.支撐密封總成；5.閥桿；6.解封接頭；7.上部加長短接；8.出油閥；9.長泵筒；10.短柱塞；11.出油閥；12.下部加長短接；13、14.固定閥。

(1)泵體。由泵筒總成和柱塞總成組成。泵筒總成由閥桿導向套、頂部密封支撐總成、彈性鎖爪、解封接頭、上下加長短接及雙進油閥通過螺紋依次連接組成；柱塞總成由閥桿接頭、閥桿、上游動閥罩、上下出油閥以及柱塞通過螺紋依次連接組成。

(2)泵座總成。由上接頭、支撐座封環、下接頭通過螺紋依次連接組成，具體結構示意圖見圖2。

圖2 泵座總成結構圖

(3)泵筒與泵座之間通過頂部鎖緊支撐總成上的彈性鎖爪與上部泵座卡緊鎖死，使泵體在正常工作時不與外工作筒脫開。

1.2 關鍵部件改進

(1)桿式泵的鎖爪坐封面倒角由60°改為45°，改變解封時鎖爪的受力狀態，減小了在起泵時脫卸力，使桿式泵解封更容易，有利于防止支撐座封環在起泵作業時被拉裂，降低因桿式泵不能解封和泵座座封環裂導致的檢泵作業，鎖爪坐封倒角改進示意圖如圖3所示。

1.閥桿導向套；2.過液通道；3.支撐密封環；4.鎖爪；5.機鎖芯軸；6.機鎖接頭；7.支撐皮碗；8.皮碗座圈；9.皮碗壓帽；10.解封接頭；11.短接；12.上接頭；13.支撐座封環；14.下接頭；15.閥桿；16.上游動閥罩。

(2)泵座鋼圈由24 mm加高至34 mm，間隙配合改為過盈配合，即座封環外徑由9 mm擴大至9.5 mm,泵座材質由45#鋼改進為P110材質，抗拉強度由30 t上升到90 t；降低零件硬度(硬度降低7 HRC)，減少因硬度過高導致的斷裂；提高強度，降低坐封、解封時鋼圈破損風險，有效減少泵座鋼圈漏失導致的檢泵井次。

(3)將桿式泵的單固定閥改為雙固定閥，起到雙保險作用，并將不銹鋼材質的閥球、閥座全部改為碳化鈦合金球、碳化鎢合金座，表面硬度由200 HV提高至1 620 HV,提高閥球、閥座耐磨性和抗沖擊性能，降低固定閥漏失的風險。

(4)軟密封由后置型改為前置型，避免出現軟密封經過泵座被剪切后掉落，因抽汲作用進入泵筒，卡于閥座處，導致閥漏失的情況；在密封皮碗材料中添加玻璃纖維和碳粉，改善其抗剪切性能，提高坐封的可靠性。

(5)泵出液口由斜口改為直口[11-14]，出液口處沉物空間由0.01 L擴大為0.14 L，降低泵上部油管異物沉降進入泵筒造成的卡泵風險，見圖4。

1.出液口；2.上接頭；3.支撐密封環；4.下接頭；5.閥桿導向套；6.皮碗壓帽；7.皮碗座圈；8.支撐皮碗；9.機鎖心軸；10.鎖爪；11.機鎖接頭。

(6)上游動閥總成整體式閥罩改成通徑分體式閥罩，結構強度提高50%;游動閥罩斜面角度由15°上升到45°，增大解封桿式泵時接觸面軸向分力，降低卡泵風險，具體結構如圖5所示。

1.閥桿導向套；2.過液通道；3.支撐密封環；4.鎖爪；5.機鎖芯軸；6.機鎖接頭；7.支撐皮碗；8.皮碗座圈；9.皮碗壓帽；10.解封接頭；11.短接；12.上接頭；13.支撐座封環；14.下接頭；15.閥桿；16.上游動閥罩。

(7)改進解封接頭材質，采用不銹鋼材質，硬度23～28 HRC，使解封接頭和游動閥罩二者硬度接近，避免低硬度材質發生形變。

1.3 改進后的工作原理

先將上接箍、支承管和鎖緊密封支承接頭連接在油管下，隨油管下入到油井中預定深度，然后將泵筒和柱塞總成連接在抽油桿柱下端下入到油管內，泵體隨抽油桿下到泵座處時，支撐鎖爪受壓形變收縮，在泵座鋼圈處形成鎖緊力，軟密封膠筒發生塑性形變，形成二次密封，硬密封靠金屬密封錐面形成密封，泵體座封在油管上的支承位置后,調整好各項作業參數，即可正常起抽生產。

與常規桿式泵工作原理相同，上沖程時，抽油桿帶動柱塞向上運動，固定閥閥球在沉沒壓力的作用下打開，井筒內液體由固定閥進入泵筒內，游動閥的閥球在柱塞上部液柱的作用下關閉，將液體排出泵筒，通過油管進入井口管道。下沖程時，柱塞隨抽油桿向下運動，泵腔內液體受壓、壓力逐漸升高，游動閥被頂開，固定閥關閉，由固定閥進泵筒內的液體通過游動閥進入柱塞上部空間。當泵體出現故障時，只需要將泵體提出進行更換，大大降低作業成本。

2 現場應用

截至2021年4月，易解封防漏防卡深抽桿式泵已在塔河油田應用68井次，現場應用效果較好，最大下深4 013 m，平均泵掛3 642 m，平均生產時間693 d，最長達1 346 d，無因桿式泵故障導致檢泵，提高了油井生產時效，大大節約了采油成本。

TK1井2016年5月自噴轉機抽生產，完井下入普通?44 mm桿式泵，泵掛2 714 m，日平均產液量39.1 t，產油量25.3 t，含水率35.3%；2017年6月因卡泵進行上修作業，檢泵起出桿式泵，泵筒內有較多腐蝕物，導致柱塞卡死在泵筒里。2018年7月修井下入?38 mm易解封防漏防卡桿式泵，泵掛3 915 m，目前日平均產液量27.3 t,日均產油量12.07 t，含水率55.8%，該井周期注水注氣8次，重復解封、坐封8次，解封、坐封均正常，生產期間未發生過卡泵等異常，示功圖如圖6，平均泵效73.5%，高于塔河油田平均泵效，已累計增油1.32×104t，達到了防漏防卡等工藝目的。

圖6 修井后正常生產示功圖

3 結論及認識

(1)易解封防漏防卡桿式泵解決了普通桿式泵易卡泵、解封困難、閥漏失及泵座鋼圈易損壞等難題，提高了桿式泵的服役時間，滿足現場生產需求。

(2)易解封防漏防卡桿式泵采用頂部座封結構，承載能力強，滿足塔河油田的深抽需求。

(3)易解封防漏防卡桿式泵結構簡單，現場作業操作方便，應用效果明顯，具有很高的推廣價值。